高中物理“機械能守恒定律”教學策略探究

摘 要：物理學習講究思維和方法，尤其是高中階段經(jīng)典物理的教學和學習，抓要點、巧分類是理清思路、解決問題的關(guān)鍵。筆者結(jié)合實踐教學經(jīng)驗和教育一般方法，以機械能守恒定律教學為例，對高中物理抓要點、巧分類教學的實現(xiàn)思路和方法發(fā)表看法，以期為高中物理教學質(zhì)量提高提供經(jīng)驗參考。

關(guān)鍵詞：高中物理;機械能守恒定律;教學策略;抓要點;巧分類;

1.機械能守恒的概念和內(nèi)涵

機械能是自然界中普遍存在的能量形式，具體可分為動能和勢能，其中勢能包括引力勢能、彈性勢能、電勢能和核勢能，機械守恒定律主要與動能、彈性勢能和引力勢能相關(guān)。

簡單來說機械能守恒定律就是在只有彈力和重力做工下，物體的機械能總和保持不變，只會在動能和勢能之間相互轉(zhuǎn)化。也就是說，在外部條件不變的情況下，機械能總值是固定的，物體的機械能不是動能就是勢能也可能是兩者的總和。

因此解決以機械能守恒定律相關(guān)的物理問題時的關(guān)鍵在于確定物體所在的系統(tǒng)，明確機械能的總值，使學生掌握整體和局部的思維，既能夠分析物體的機械能特點又能夠明確物體所在系統(tǒng)的機械能特點，從而有效解決問題。這是機械能守恒定律學習的要點和難點。

2.單個物體的機械能守恒問題

單個物體的機械能守恒問題的分類和要點較為簡單。解決此類問題只需要考慮物體自身即可，不需要將物體放在一個力學系統(tǒng)里去考慮，此類問題是機械能守恒問題的入門級問題。如常見的平拋運動、勻速直線運動、自由落體運動等。

現(xiàn)在假設(shè)有一個小球，做自由落體運動，求小球的機械能（不考慮大氣阻力）。遇到這種問題，不能做過多的考慮，因為自由落體中小球的速度會越來越快，如果考慮到動、勢能的相互轉(zhuǎn)化，那么此類問題將會陷入無解的情況。在已知機械能守恒的情況下，只需要考慮極限情況，如小球剛開始自由落體或落到地面時，即對應(yīng)的V=0和V=1/2gt2時，此時對應(yīng)的分別是動能為0和勢能為0，從而快速計算出機械能的值。

解決單個物體機械能守恒問題可分為兩步，對極限狀態(tài)下機械能存在類型進行確定，即分類，確定物體的機械能屬于動能還是勢能，第二步就是單純的計算問題。此類問題僅是機械能守恒的入門問題，學生能夠熟練解決此類問題，則表明學生具備機械能分類的基本能力，這是解決更復雜機械能守恒問題的基礎(chǔ)。

3.兩個物體的機械能守恒問題

兩個物體的機械能守恒問題則是對單個物體機械能守恒問題的升級，最根本的還是對極限狀態(tài)的把握以及極限狀態(tài)下物體機械能存在類型的確定以及計算。常見的此類的機械能守恒問題主要是“天平問題”、“蹺蹺板”問題等。

如例題：在水平桌面上固定一個高h豎直的立體木塊，然后木塊上水平方向搭載一個長度L（假設(shè)L足夠長）的木板，木板兩端放兩個重物A和B，重物質(zhì)量分別為m1和m2（m1和m2質(zhì)量不一定相等，大小關(guān)系未知），在重力影響下，木板開始向一個方向傾斜，問重物A上升/下降至最大時，重物A或B的速度。

在此類機械能守恒問題中，關(guān)聯(lián)的物體往往有兩個，解決此類問題的關(guān)鍵在于確定系統(tǒng)和明確變化。所謂變化，就是在重力勢能影響下，重物動能開始增加，具體是變大或變小視題目內(nèi)容而定，當然也可能是動能減小，勢能增加，但解題思路萬變不離其宗。

首先，需要將題目中“天平”和兩個重物放在一個系統(tǒng)內(nèi)分析問題，因此整個系統(tǒng)的機械能守恒，而并非單個物體的機械能守恒。然后再對兩個重物分別分析，不難發(fā)現(xiàn)上升的重物勢能增加、動能也增加，而下降的重物動能增加、勢能減少，但整個系統(tǒng)的機械能守恒。再遵從一個物體時機械能守恒解題的一般思路，尋找問題的極限狀態(tài)。在這個系統(tǒng)中，極限狀態(tài)有兩個，分別是重物剛放上去相對靜止狀態(tài)，和重物下降/上升至最大的相對靜止狀態(tài)，那么不難得到機械能總值為m1gh1+m2gh1，同理也可表示為m1V2+m2V2+m1gh2+m2gh3，。在“天平”系統(tǒng)中，A上升/下降與B下降/上升的速度是保持一致的，這是一個隱藏條件，要捕捉到。然后初始的h已知，g已知，m1、m2已知，那么機械能總值已知。從相對靜止運動到相對靜止時，h2與h3會與h存在一個相對關(guān)系，進一步可求出h2與h3，代入后再求出V2，此時答案就呼之欲出。

上述解題思路不難看出，處理兩個物體機械能守恒相關(guān)問題的關(guān)鍵在于找到機械能守恒條件，即以系統(tǒng)的思路分析問題。

4.多個物體的機械能守恒問題

如例題：在光滑的水平面上，有物體A，質(zhì)量M，物體A上有物體B，質(zhì)量m，A、B之間有一個彈簧，然后施加給A初始速度v，求兩個物體相互作用時最大的彈性勢能。

這是一道經(jīng)典的機械能守恒問題，涉及到了A、B、彈簧多個物體，解題的關(guān)鍵在于明確系統(tǒng)和找到運動的極限。

依然是先遵從整體思路進行分析，不難發(fā)現(xiàn)，A、B、彈簧構(gòu)成的運動系統(tǒng)外無力做工，也就是說，A、B、彈簧運動系統(tǒng)的機械能必然守恒，那么就剩下找極限這個難點。問題是求最大彈性勢能，那么什么時候彈性勢能最大。機械能守恒定律的基本內(nèi)容就是機械能不會增加或減少，只會在動能和勢能之間相互轉(zhuǎn)化，也就是說，動能最小時，勢能最大。發(fā)揮想象力，A、B及彈簧的運動狀態(tài)，首先A以速度v做運動，然后接觸彈簧，彈簧壓縮，B開始運動，然后A、B、彈簧開始保持相對靜止狀態(tài)，A、B、彈簧均做勻速直線運動。這個過程中，動能先轉(zhuǎn)化為彈性勢能，彈性勢能再轉(zhuǎn)化為動能直至保持相對靜止。分析到這里，答案就呼之欲出，動能小的時候就是B開始運動的那一瞬間，余下的就是計算問題。

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作者簡介：王紅輝;性別：男;出生年月：1974.9;籍貫：襄陽;民族：漢;最高學歷：本科;職稱：中一;研究方向：高中物理教學;郵編：318000;單位：浙江省臺州市第一中學